降雨環(huán)境毫米波引信電磁衰減驗(yàn)證模型

任俊峰，袁久興，張悅?cè)?，付勝華，李楚寶

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.中國(guó)人民解放軍32381部隊(duì)，北京 100071)

0 前言

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)線(xiàn)電引信抗電磁干擾的要求越來(lái)越高，迫使引信在提高工作頻率、增大發(fā)射功率和改進(jìn)信號(hào)處理等方面采取措施[1-2]。然而，在提高工作頻段時(shí)，無(wú)線(xiàn)電引信抗雨雪等自然環(huán)境干擾的能力反而下降[3]，限制了無(wú)線(xiàn)電引信在全氣候的發(fā)展和應(yīng)用。

在無(wú)線(xiàn)電電磁信號(hào)傳播過(guò)程中，對(duì)流層物質(zhì)如水汽、顆粒凝物(如雨、云、霧、雪、冰、沙塵等)會(huì)使用信號(hào)產(chǎn)生衰減，主要有無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的諧振吸收衰減、后向散射以及天線(xiàn)極化的影響[4-5]。文獻(xiàn)[6]研究了真實(shí)雨霧情況中的水滴粒子的散射效應(yīng)，考慮真實(shí)降雨情況中水滴的尺寸、含水量、范圍以及多次散射等因素，模擬出電磁波在水滴粒子的卡羅光子傳播現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7—8]進(jìn)一步深入研究了不同大氣環(huán)境中氣溶膠的電磁散射，開(kāi)發(fā)了一種漸進(jìn)式的逐次散射研究方法(MSOS)。文獻(xiàn)[9]以Mie和Aden-Kerker散射理論探討了大氣中冰水球體粒子的電磁散射效應(yīng)。文獻(xiàn)[10]選取沙塵天氣為研究對(duì)象，將沙塵假設(shè)為多個(gè)球形粒子隨機(jī)分布、相對(duì)均質(zhì)粒子體系的電磁波衰減計(jì)算。針對(duì)電磁波在降雨粒子中的衰減特性，文獻(xiàn)[11]基于毫米波散射特性，系統(tǒng)研究了降雨對(duì)毫米波系統(tǒng)的影響，計(jì)算了毫米波雷達(dá)接收信噪比、信雜比和雜噪比。

試驗(yàn)驗(yàn)證方面，文獻(xiàn)[12]歸納了靜態(tài)線(xiàn)饋實(shí)驗(yàn)、暗室半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)、滑軌試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等適用于無(wú)線(xiàn)電引信的抗有源干擾試驗(yàn)方法。然而，針對(duì)毫米波引信在雨雪等氣候環(huán)境下電磁衰減特性，以及在增加接收天線(xiàn)的噪聲降低信噪比，對(duì)毫米波引信探測(cè)性能的影響未進(jìn)行系統(tǒng)性研究。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出毫米波引信抗降雨干擾的衰減模型。

1 毫米波電磁衰減原理

電磁波在粒子媒質(zhì)中的傳播特性與媒質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)，產(chǎn)生電磁衰減。定義為毫米波沿粒子所有角度的總散射功率與入射功率通量密度的比值：

(1)

式(1)中，Ps為散射功率，σd為粒子的微分散射截面。根據(jù)無(wú)線(xiàn)電引信探測(cè)地面的雷達(dá)方程，得到不同頻率下的無(wú)線(xiàn)電引信接收功率：

(2)

式(2)中，Pt為發(fā)射功率，G為天線(xiàn)增益，λ為波長(zhǎng)，σ為無(wú)線(xiàn)電引信電磁穿過(guò)降雨粒子的總衰減截面，c為光速，τ為等效脈沖寬度，H為引信距地面高度。

進(jìn)而通過(guò)建立毫米波引信在降雨環(huán)境下的電磁衰減模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 降雨環(huán)境電磁衰減計(jì)算模型

假設(shè)降雨為球形粒子態(tài)，無(wú)線(xiàn)電引信的電磁波沿z方向通過(guò)雨粒子介質(zhì)，不考慮多重散射的情況下，電磁強(qiáng)度可寫(xiě)為

(3)

式(3)中，I為場(chǎng)強(qiáng)，∑σt為電磁波穿過(guò)雨粒子的總衰減截面，設(shè)定電磁波在z=0處的場(chǎng)強(qiáng)為I0，對(duì)應(yīng)的衰減后的場(chǎng)強(qiáng)可以計(jì)算為

I=I0exp[-(∑σt)z]，

(4)

(5)

式中，N(D)為降雨粒子尺寸空間分布。為簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為降雨粒子為理想的圓球，電磁波在雨滴中的衰減總截面可以簡(jiǎn)化為

(6)

將降雨粒子進(jìn)行分層處理，對(duì)每層降雨粒子下的電磁衰減可以計(jì)算為

(7)

式(7)中，A1,A2,An為第1、2、n層的場(chǎng)強(qiáng)衰減系數(shù)，分別可以表示為

An=exp(-SnZn)。

(8)

分別計(jì)算不同分層上的反射場(chǎng)強(qiáng)功率，可以得到降雨條件下的一維距離像，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電電磁衰減計(jì)算。降雨環(huán)境無(wú)線(xiàn)電引信衰減模型如圖1所示。

圖1 降雨環(huán)境電磁衰減計(jì)算方法Fig.1 Calculation method of electromagnetic attenuation in rainfall environment

降雨粒子的空間分布滿(mǎn)足一定的隨機(jī)概率，采用Weibull分布模擬降雨粒子的空間散布，其粒子分布譜為

(9)

式(9)中，R為降水量，D為降雨粒子直徑，ρs為降雨粒子密度。

得到的降雨粒子空間散布如圖2所示，降雨粒子隨機(jī)分布在無(wú)線(xiàn)電引信電磁波的傳播平面上。無(wú)降雨環(huán)境干擾下，無(wú)線(xiàn)電電磁場(chǎng)分布如圖3所示。

圖2 降雨粒子散布模型Fig.2 Rainfall particle dispersion model

圖3 無(wú)雨環(huán)境的電磁特性Fig.3 Electromagnetic properties of rain-free environments

根據(jù)無(wú)線(xiàn)電電磁波在降雨中的衰減率和反射率，計(jì)算不同毫米波段(24和34 GHz)在降雨粒子中的場(chǎng)強(qiáng)分布，如圖4、圖5所示。可以看出由于降雨粒子的存在，無(wú)線(xiàn)電引信的電磁波傳輸受到雨滴的擾動(dòng)，在空間形成了非均勻分布。與此同時(shí)，電場(chǎng)的極化發(fā)生變化，出現(xiàn)了交叉極化分量。隨著頻率升高，電磁波與降雨粒子的相互作用加強(qiáng)，電磁強(qiáng)度受到的擾動(dòng)加強(qiáng)，交叉極化分量增多。

圖4 24 GHz電磁波在降雨中的分布Fig.4 Distribution of 24 GHz electromagnetic waves in rain

圖5 34 GHz電磁波在降雨中的分布Fig.5 Distribution of 34 GHz electromagnetic waves in rain

通過(guò)模擬計(jì)算，進(jìn)行相關(guān)頻率的無(wú)線(xiàn)電電磁波在不同降雨量下的衰減計(jì)算。以降落在地面上的水量作為度量降雨量大小的標(biāo)準(zhǔn)，以1 mm/h(大雨)、10 mm/h(大暴雨)和20 mm/h(特大暴雨)的粒子分布進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電電磁衰減計(jì)算，降雨粒子參數(shù)如表1所示。得到的不同頻率無(wú)線(xiàn)電電磁衰減與降雨強(qiáng)度、降雨粒子大小的關(guān)系，如圖6所示。

表1 降雨粒子參數(shù)Tab.1 Parameters of rainfall particle

圖6 電磁衰減隨頻率、降雨強(qiáng)度變化圖Fig.6 Variation of electromagnetic attenuation with frequency and rainfall intensity

可以看出：在1 mm/h的降水量及其雨粒子分布下，無(wú)線(xiàn)電電磁幾乎無(wú)衰減，表明一般降雨對(duì)無(wú)線(xiàn)電干擾很?。浑S著降雨強(qiáng)度的增大，其電磁衰減隨著頻率的增加逐漸增大，因此有必要進(jìn)行干擾分析。

根據(jù)設(shè)定的降雨粒子大小，通過(guò)模型仿真結(jié)果得到24 GHz無(wú)線(xiàn)電電磁衰減率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系，如圖7所示?？梢钥闯觯弘姶潘p隨著降雨強(qiáng)度的增大逐漸增大，后趨于平穩(wěn)；且粒子大的電磁衰減明顯較大。

圖7 24 GHz電磁衰減隨降雨強(qiáng)度變化圖Fig.7 Variation of 24 GHz electromagnetic attenuation with rainfall intensity

最后，模擬24 GHz無(wú)線(xiàn)電引信在其空間的回波功率計(jì)算，參數(shù)包括：發(fā)射功率10 dBm，天線(xiàn)增益6 dB，天線(xiàn)主瓣寬度120°，帶寬150 MHz。得到不同降雨量、不同距離條件下的的回波功率如表2所示。

表2 無(wú)線(xiàn)電引信回波功率計(jì)算Tab.2 Calculation of radio fuze echo power

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

建造小型的雨場(chǎng)模擬裝置，對(duì)24 GHz的K波段無(wú)線(xiàn)電引信在大雨和暴雨條件下進(jìn)行了電磁衰減試驗(yàn)，如圖8所示。模擬實(shí)驗(yàn)室完成抗雨試驗(yàn)，進(jìn)行小雨、中雨、大雨等不同降雨量級(jí)下毫米波引信的電磁衰減動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

圖8 靜態(tài)雨場(chǎng)模擬測(cè)試裝置Fig.8 Static rain field simulation test device

通過(guò)手持模擬目標(biāo)不斷靠近無(wú)線(xiàn)電引信，得到不同位置的反射信號(hào)，進(jìn)行電磁場(chǎng)強(qiáng)衰減驗(yàn)證。試驗(yàn)無(wú)線(xiàn)電引信參數(shù)如表3所示。

表3 無(wú)線(xiàn)電引信參數(shù)表Tab.3 Radio fuze parameter table

實(shí)測(cè)得到毫米波引信在中雨、大雨等降雨環(huán)境下的回波功率如圖9所示，可見(jiàn)電磁衰減隨著距離目標(biāo)的距離相關(guān)。

圖9 無(wú)線(xiàn)電引信回波功率實(shí)測(cè)值Fig.9 Measurements of radio fuze echo power

無(wú)線(xiàn)電引信接收功率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較分析如表4所示?？梢钥闯?， 誤差不大于15%，驗(yàn)證了無(wú)線(xiàn)電引信抗降雨干擾衰減模型的可行性。

表4 計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Tab.4 Comparison of calculated and measured

4 結(jié)論

本文針對(duì)無(wú)線(xiàn)電引信在降雨環(huán)境的電磁衰減特性，造成的引信接收功率降低與干擾的問(wèn)題，建立了毫米波引信抗降雨干擾的衰減驗(yàn)證模型。通過(guò)建立多層降雨粒子的毫米波引信電磁衰減計(jì)算方法，得到電磁頻率、電磁衰減率與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。結(jié)合無(wú)線(xiàn)電引信接收功率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較分析，得出無(wú)線(xiàn)電引信電磁回波功率的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差不大于15%，驗(yàn)證了無(wú)線(xiàn)電引信抗降雨干擾的電磁衰減模型的可行性。

該驗(yàn)證模型可為無(wú)線(xiàn)電引信的抗降雨干擾設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。